न्यूरॉन्स के विदेश उत्तेजना इलेक्ट्रिक और एक- या दो-आयामी संस्कृतियों में चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करना
Summary
Neuronal संस्कृतियों एकल न्यूरॉन्स पर उनके प्रभाव या न्यूरॉन्स की आबादी के माध्यम से उभरते मस्तिष्क उत्तेजना तकनीक के अध्ययन के लिए एक अच्छा मॉडल है। यहाँ प्रस्तुत एक बिजली के क्षेत्र स्नान इलेक्ट्रोड से सीधे उत्पादन या एक समय बदलती चुंबकीय क्षेत्र द्वारा प्रेरित द्वारा पैटर्न वाली न्यूरोनल संस्कृतियों की उत्तेजना के लिए अलग अलग तरीके हैं।
Abstract
एक न्यूरॉन एक संभावित कार्रवाई आग जब इसकी झिल्ली क्षमता एक निश्चित सीमा से अधिक होगा। मस्तिष्क के विशिष्ट गतिविधि में, यह अपने अन्तर्ग्रथन से रासायनिक आदानों का एक परिणाम के रूप में होता है। हालांकि, न्यूरॉन्स भी एक लगाया गया बिजली के क्षेत्र से उत्साहित किया जा सकता है। विशेष रूप से, हाल ही में नैदानिक अनुप्रयोगों बाहर से एक बिजली के क्षेत्र बनाने के द्वारा न्यूरॉन्स सक्रिय करें। यह जांच करने के लिए कैसे न्यूरॉन बाहरी क्षेत्र का जवाब और क्या कार्रवाई की क्षमता का कारण बनता है ब्याज की इसलिए है। सौभाग्य से, एक बाहरी बिजली क्षेत्र की सटीक और नियंत्रित आवेदन भ्रूण neuronal कोशिकाओं है कि, excised हैं अलग और संस्कृतियों में बड़े हो के लिए संभव है। यह एक अत्यधिक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य प्रणाली में इन सवालों की जांच की अनुमति देता है।
इस पत्र में neuronal संस्कृतियों पर बाहरी बिजली क्षेत्र के नियंत्रित आवेदन के लिए इस्तेमाल तकनीक के कुछ समीक्षा कर रहे हैं। नेटवर्क या तो एक आयामी, यानी लिनिया में नमूनों हो सकता हैआर रूपों या सब्सट्रेट के पूरे विमान पर विकसित करने के लिए अनुमति दी, और इस तरह दो आयामी। इसके अलावा, उत्तेजना द्रव (स्नान इलेक्ट्रोड) में या चुंबकीय दालों के दूरदराज के निर्माण का उपयोग कर बिजली के क्षेत्र उत्प्रेरण से डूबे इलेक्ट्रोड के माध्यम से बिजली के क्षेत्र के प्रत्यक्ष आवेदन के द्वारा बनाया जा सकता है।
Introduction
न्यूरॉन्स और बाहरी बिजली क्षेत्र के बीच बातचीत मौलिक प्रभाव के साथ-साथ व्यावहारिक लोगों की है। यह वोल्टा की किसी अवधि में बाह्य रूप से लागू किया बिजली के क्षेत्र ऊतक को उत्तेजित कर सकते हैं के बाद से जाना जाता है, वहीं तंत्र न्यूरॉन्स में एक परिणामी संभावित कार्रवाई के उत्पादन के लिए जिम्मेदार केवल हाल ही में 1 सुलझाया जाए, 2, 3, 4 शुरू कर रहे हैं। इस तंत्र कि न्यूरॉन कि बिजली के क्षेत्र 2, 5 का जवाब में झिल्ली क्षमता के विध्रुवण, झिल्ली संपत्तियों की और आयन चैनल की भूमिका, और यहां तक कि क्षेत्र का कारण बनता है के बारे में सवालों के जवाब पाने के भी शामिल है। चिकित्सीय neurostimulation 6, 7, 8, 9, <supवर्ग = "xref"> 10 तरीके इस जानकारी है, जो पीड़ित क्षेत्रों को लक्षित के लिए और चिकित्सा के परिणाम को समझने के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है पर विशेष रूप से निर्भर हैं। इस तरह की समझ भी मस्तिष्क में विभिन्न क्षेत्रों की उत्तेजना के लिए उपचार प्रोटोकॉल और नए तरीकों को विकसित करने में मदद कर सकते हैं।
मापने इन विवो ब्रेन के भीतर बातचीत के इस समझ के एक महत्वपूर्ण घटक लेता है, लेकिन अस्पष्टता और खोपड़ी के भीतर माप की कम controllability द्वारा बाधा उत्पन्न कर रहा है। इसके विपरीत, संस्कृतियों में माप आसानी से उच्च परिशुद्धता, शोर प्रदर्शन के लिए उत्कृष्ट संकेत और reproducibility के और नियंत्रण के एक उच्च डिग्री के साथ उच्च मात्रा में किया जा सकता। संस्कृतियों का उपयोग करते हुए सामूहिक नेटवर्क व्यवहार के neuronal गुण की एक विशाल विविधता 11 स्पष्ट किया जा सकता है, 12, 13, 14, </sup> 15, 16। इसी तरह, यह अच्छी तरह से नियंत्रित प्रणाली व्यवस्था है जिसके द्वारा अन्य उत्तेजना तरीकों काम करते हैं, उदाहरण के कैसे optogenetically सक्रिय न्यूरॉन्स 17, 18 में ऑप्टिकल उत्तेजना के दौरान चैनल खोलने, 19 संभावित कार्रवाई बनाने के लिए जिम्मेदार है के लिए का वर्णन में अत्यधिक कुशल हो उम्मीद है।
यहाँ ध्यान देने के उपकरण है कि कुशलता से एक बाहरी बिजली के क्षेत्र के माध्यम से न्यूरॉन उत्तेजित कर सकते हैं के विकास और समझ का वर्णन पर है। इस पत्र में हम अलग अलग विन्यास और स्नान इलेक्ट्रोड के द्वारा एक सीधे लागू होता है बिजली के क्षेत्र के उन्मुखीकरण, और दो आयामी के अंत में उत्तेजना का उपयोग कर दो आयामी और एक आयामी पैटर्न वाली हिप्पोकैम्पस संस्कृतियों, उत्तेजना की तैयारी का वर्णन है और एक से एक आयामी संस्कृतियों नमूनों समय-बदलती चुंबकीय क्षेत्र है, जो एक बिजली के क्षेत्र को प्रेरित करता है5, 20, 21।
Protocol
Representative Results
Discussion
1 डी पैटर्निंग एक महत्वपूर्ण उपकरण है जिसका इस्तेमाल विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, हमने न्यूरोनल संस्कृतियों से तर्कशास्त्र द्वार बनाने के लिए 1D पैटर्निंग का इस?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों बहुत उपयोगी विचार विमर्श के लिए ऑफ़र फाइनरमैन, फ्रेड वुल्फ, मेनाहेम सेगल, एंड्रियास नीफ और आइटान रुयवेनी धन्यवाद। लेखकों प्रौद्योगिकी के प्रारंभिक संस्करणों के विकास के लिए इलान ब्रेस्किन और जॉर्डी सोरिआनो धन्यवाद। लेखकों सैद्धांतिक अवधारणाओं के साथ मदद के लिए ससेवीई टलस्टी और जीन पियरे एकमैन धन्यवाद। इस शोध मिनर्वा फाउंडेशन, विज्ञान और प्रौद्योगिकी, इज़राइल, मंत्रालय द्वारा और इसराइल विज्ञान फाउंडेशन अनुदान 1320-1309 और द्वि-राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन अनुदान 2,008,331 द्वारा समर्थित किया गया।
Materials
| APV | Sigma-Aldrich | A8054 | Disconnect the network. Mentioned in Section 2.4.2 |
| B27 supp | Gibco | 17504-044 | Plating medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| bicuculline | Sigma-Aldrich | 14343 | Disconnect the network . Mentioned in Section 2.4.2 |
| Borax (sodium tetraborate decahydrate) | Sigma-Aldrich | S9640 | Borate buffer. Mentioned in Section 1.1.2 |
| Boric acid | Frutarom LTD | 5550710 | Borate buffer. Mentioned in Section 1.1.2 |
| CaCl2 , 1M | Fluka | 21098 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| CNQX | Sigma-Aldrich | C239 | Disconnect the network . Mentioned in Section 2.4.2 |
| COMSOL | COMSOL Inc | Multiphysics 3.5 | Numerical simulation. Mentioned in Section 3.5.2 |
| D-(+)-Glucose, 1M | Sigma-Aldrich | 65146 | Plating medium, Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.1.1 1.5.2 |
| D-PBS | Sigma-Aldrich | D8537 | Cell Cultures. Mentioned in Section 1.2.4 1.2.6 |
| FCS(FBS) | Gibco | 12657-029 | Plating medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141 | Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.6 |
| Fluo4, AM | Life technologies | F14201 | Imaging of spontaneous or evoked activity . Mentioned in Section 1.5.1 1.5.3 1.5.5 |
| FUDR | Sigma-Aldrich | F0503 | Changing medium. Mentioned in Section 1.4.1 |
| Gentamycin | Sigma-Aldrich | G1272 | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| GlutaMAX 100X | Gibco | 35050-038 | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1 |
| Hepes, 1M | Sigma-Aldrich | H0887 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| HI HS | BI | 04-124-1A | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.1.1 1.4.1 1.4.2 |
| KCl, 3M | Merck | 1049361000 | Extracellular recording solution. Mentioned in Section 1.5.2 |
| Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.6 |
| MEM x 1 | Gibco | 21090-022 | Plating medium, Changing medium, Final medium. Mentioned in Section 1.4.1 1.4.2 |
| MgCl2 , 1M | Sigma-Aldrich | M1028 | Extracellular recording solution. Mentioned in Section 1.5.2 |
| NaCl, 4M | Bio-Lab | 19030591 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| Octadecanethiol | Sigma-Aldrich | 01858 | Cleaning Cr-Au coated coverslips (1D cultures). Mentioned in Section 1.2.3 |
| Pluracare F108 NF Prill | BASF Corparation | 50475278 | Bio-Rejection Coating, Bio Coating. Mentioned in Section 1.2.4 1.2.6 |
| Poly-L-lysine 0.01% solution | Sigma-Aldrich | P47075 | Promote cell division. Mentioned in Section 1.1.4 |
| Sucrose, 1M | Sigma-Aldrich | S1888 | Extracellular recording solution . Mentioned in Section 1.5.2 |
| Thiol | Sigma-Aldrich | 1858 | Bio-Rejection Coating. Mentioned in Section 1.2.3 |
| URIDINE | Sigma-Aldrich | U3750 | Changing medium. Mentioned in Section 1.4.1 |
| Sputtering machine | AJA International, Inc | ATC Orion-5Series | coating glass with thin layers of metal. Mentioned in Section 1.2.2 |
| Pen plotter | Hewlett Packard | HP 7475A | Etching of pattern to the coated coverslip. Mentioned in Section 1.2.5 |
| Electrodes wires | A-M Systems, Carlsborg WA | 767000 | Electric stimulation of neuronal cultures. Mentioned in Section 2.1 2.2 2.3 2.4.5 |
| Signal generator | BKPrecision | 4079 | Shaping of the electric signal. Mentioned in Section 2.3 |
| Amplifier | Homemade | Voltage amplification of the signal from the signal generator to the electrodes. Mentioned in Section 2.3 | |
| Power supply | Matrix | MPS-3005 LK-3 | Power supply to the sputtering machine. Mentioned in Section 1.2.2.3 |
| Transcranial magnetic stimulation | Magstim, Spring Gardens, UK | Rapid 2 | Magnetic stimulation of neuronal culture. Mentioned in Section 3.1 3.3 3.4 |
| Epoxy | Cognis | Versamid 140 | Casting of homemade coils. Mentioned in Section 3.4 |
| Epoxy | Shell | EPON 815 | Casting of homemade coils. Mentioned in Section 3.4 |
| Platinum wires 0.005'' thick; A-M Systems, | Carlsborg WA | 767000 | Electric stimulation of neuronal cultures. Mentioned in Section 2.1 |
| Circular magnetic coil | Homemade | Magnetic stimulation of neuronal culture. Mentioned in Section 3.3 | |
| WaveXpress SW | B&K Precision | Waveform editing software. Mentioned in Section 2.1.32 | |
| Xion Ultra 897 | Andor | Sensitive EMCCD camera. Mentioned in Section 2.4.4 |
Riferimenti
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